Институт Инновационного Проектирования | Е. Н. Козаченко ПЬЕЗОФЕЙЕРВЕРК
 
Гл
Пс
Кс
 
Изобретателями не рождаются, ими становятся
МЕНЮ
 
   
ВХОД
 
Пароль
ОПРОС
 
 
    Слышали ли Вы о ТРИЗ?

    Хотел бы изучить.:
    Нет, не слышал.:
    ТРИЗ умер...:
    Я изучаю ТРИЗ.:
    Я изучил, изучаю и применяю ТРИЗ для решения задач.:

 
ПОИСК
 
 



 


Все системы оплаты на сайте








ИННОВАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сертификация инноваторов
инновационные технологии
БИБЛИОТЕКА ИЗОБРЕТАТЕЛЯ
Это интересно
ПРОДУКЦИЯ
 

 


Инновационное
обучение

Об авторе

Отзывы
участников

Программа
обучения

Вопрос
Ю.Саламатову

Поступить на обучение

Общественное
объединение



Молодому инноватору

FAQ
 

Сертификация
специалистов

Примеры заданий

Заявка на
сертификацию

Аттестационная
комиссия

Список
аттестованных
инноваторов

Инновационное
проектирование

О компании

Клиенты

Образцы проектов

Заявка
на проект

Семинары

Экспертиза проектов

   

Книги и статьи Ю.Саламатова

Теория Решения Изобретательских Задач

Развитие Творческого Воображения

ТРИЗ в нетехнических областях

Инновации 
в жизни науке и технике

Книги по теории творчества

Архивариус РТВ-ТРИЗ-ФСА

Научная Фантастика
 
 
Статьи о патентовани
   

Наука и Техника

Политика

Экономика

Изобретательские блоги 

Юмор 
 
Полигон задач

ТРИЗ в виртуальном мире
медиатехнологий
       

Книги для
инноваторов

CD/DVD видеокурсы для инноваторов

Програмное обеспечение
инноваторов

Покупка
товаров

Отзывы о
товарах
           

Е. Н. Козаченко ПЬЕЗОФЕЙЕРВЕРК

 

1. Введение
1.1. Англия. Вилла в окрестностях Лондона. Шум, много света, гости... Обычный великосветский прием.
— Посмотрите,— говорит хозяин дома,— на этой старинной люстре снизу видна надпись: «Дамоклов меч».
Действительно, если встать точно под центр массивной бронзовой люстры, можно увидеть какую-то надпись. Гости поочередно подходят к люстре, пытаясь разобрать буквы. И вдруг общий крик ужаса: люстра срывается с подвески. Убит один из гостей — несчастный случай, что поделаешь...
Но сыщик-любитель (разумеется, случайно оказавшийся среди гостей) думает иначе. И начинает расследование. Установлено: хозяин знал, что среди гостей будет любовник его жены. Об этом человеке хозяину было известно только одно — весит он 86 кг. Но не взвешивать же всех гостей... Впрочем, преступник именно так и поступил. Он подложил под дощечку паркета пьезодатчик, и когда на дощечку встал человек, весящий 86 кг, датчик послал сигнал на устройство, имитирующее короткое замыкание и пережигающее провод подвески...
Описание дальнейших подвигов сыщика-любителя читатель может найти в рассказе Д. Дихтера и Я. Куницкого «Убийство кристаллом»1. Для нас интересны не эти подвиги, а наглядная иллюстрация одной из самых типичных схем с пьезоэлементом.
1.2. Суть пьезоэффекта заключается в появлении электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллов при их деформации. Открыт пьезоэффект в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. Они же в 1881 году открыли обратный пьезоэффект: изменение размеров кристалла под действием электрического поля.
Братья Кюри использовали в своих опытах кристаллы турмалина, кварца, сегнетовой соли. Ныне в пьезоустройствах применяют иные материалы, например, титанат бария, сульфоидид сурьмы, цирконат-титанат свинца (ЦТС).
2. И возгорится искра
2.1. Электрическое напряжение, возникающее на пьезокристалле, прямо пропорционально заряду на его гранях и обратно пропорционально емкости кристалла. Если взять кристалл узкий и удлиненный, емкость будет мала, следовательно, при ударе или сжатии можно получить высокое напряжение. Пьезогенераторы высоких напряжений (ПВН) находят особенно широкое применение при решении задач, связанных с получением искровых разрядов.
Выдано, например, множество патентов на ПВН для создания искры в газовых зажигалках (заявки Великобритании 1319051, 1319101, 1394279 и др.). По патентам США 3880572 и 3919570 пьезогенератор использован в фотовспышке. Оригинальное применение ПВН нашли советские изобретатели Э. Каган и В. Санжапов: созданный ПВН импульс проверяет состояние свечей двигателя, наличие на них нагара, трещин. Разумеется, используют ПВН и для генерирования искр в системах зажигания двигателей (патенты Великобритании 780673, 818710, патенты США 2717589, 2717916 и др.).
2.2. Искрообразование — это, так сказать, яркая, но крайняя форма «самовыражения» электрического поля. Чаще всего до искр дело не доходит, образуются лишь заряженные частицы. Отсюда еще одно важное применение ПВН: электризация мелкодисперсных частиц для лучшего управления ими. И смежное применение: нейтрализация уже имеющихся зарядов, например, ликвидация статического электричества.
Фирма «Кэмбридж электро сайенсид» выпустила пьезоэлектрический пистолет «Зеростат» для снятия статических зарядов с грампластинок. В рукоятке пистолета расположен ПВН, электрическое поле выводится на острие в дуле пистолета. При нажатии на рычаг, ПВН ионизирует воздух около дула. Образовавшиеся ионы нейтрализуют статические заряды, возникшие при трении пластинки о конверт.
1

 3. Выслушивать, прослушивать...
3.1. Если механическое воздействие невелико, пьезоэлемент (т. е. пьезокристалл с электродами) превращается из генератора в датчик: энергии хватает только на сигнализацию. Большинство современных пьезодатчиков выполнено в виде биморфа, т. е. сдвоенной пластинки (одна пластинка наклеена на другую). Биморфы обладают повышенной чувствительностью и дают меньшую температурную погрешность.
Типичный пьезодатчик описан, например, в заявке Франции 2195143. Представьте себе невскрытую пустую (точнее, заполненную воздухом) консервную банку. К верхней крышке приклеен пьезоэлемент. Дно и крышка банки выполняют функцию мембран. Устройство предназначено для улавливания акустических колебаний в воде: колебания передаются пьезоэлементу, преобразующему их в электрические сигналы.
3.2. Если такое устройство перенести из воды в воздух, получится пьезоэлектрический микрофон (например, по заявке ФРГ 2120001).
3.3. Приложенный к человеческому телу пьезодатчик может измерять давление крови (заявка Франции 2275182), контролировать пульс, биение сердца (заявка Великобритании 1373240), вообще прослушивать любые шумы в организме.
3.4. Слово «прослушивать» характеризует основное «пристрастие» пьезодатчиков (хотя они умеют и многое другое: измерять вес, давление, ускорение и т. д.). Пьезоэлектрический микрофон, приложенный к твердому телу, например стеклу, отлично улавливает шумы, возникающие при появлении трещин. На этом принципе основаны всевозможные датчики охранной сигнализации, срабатывающие при разрушении стекла. Энергия ударной волны, возникающей при разрушении хрупкого тела, достаточно велика и может использоваться как разовый источник электрического тока. В заявке Франции 2305029 электрический импульс, возникающий при разрушении стекла, использован в детонаторе взрывного устройства.
3.5. Датчики охранной сигнализации срабатывают в аварийных случаях. Но в наш век хватает и обычных шумов: вся техника шумит — и еще как! Быть может, в будущем пьезоэффект найдет применение для утилизации шума. Во всяком случае, уже сейчас удается с помощью пьезопреобразователей экономить почти треть электроэнергии, вырабатываемой бортовыми системами реактивных самолетов.
4. Главная специальность — колебания, вибрация
4.1. Обратный пьезоэффект, как уже отмечалось, заключается в деформации пьезокристаллов под действием внешнего электрического поля. Микроперемещения при обратном пьезоэффекте очень малы. Например, кубик с ребром в 10 мм под действием напряженности в 2 кВ сжимается (или растягивается) на 1 мкм. Перемещение можно увеличить, если расположить последовательно несколько пьезоэлементов, параллельно подключенных к источнику напряжения, как это сделано, например, в патенте США 3902084 «Пьезоэлектрическое перемещающее устройство».
По а. с. 265486 микроперемещение предметного столика микроскопа осуществляют с помощью пьезокристалла. В а. с. 638862 пьезокристалл передвигает режущее устройство микротома — прибора для получения очень тонких биологических срезов. Интересно отметить, что во многих случаях одна и та же техническая задача на микроперемещение может быть с одинаковым успехом решена применением разных физэффектов: теплового расширения, магнитострикции, обратного пьезоэффекта.
4.2. Если подать переменное напряжение на пьезоэлемент, он начинает колебаться с частотой этого напряжения. Отсюда применение пьезоэлементов как электроакустических преобразователей (патент США 4122365, заявка Великобритании 1333644 и др.). Характерная особенность пьезопреобразователей — резонансный характер излучения. Часто, однако, возникает необходимость в широкополосных излучениях, например для музыкального звуковоспроизведения. Задача может быть решена использованием пьезоэлектрических пленок (например, по заявке Японии 54-12213) из поливинилфторида, поливинилхлорида и т. д.
4.3. Пьезоэлектрические преобразователи широко используют для получения ультразвуковых колебаний. Поэтому обратный пьезоэффект «соучаствует» в большинстве применений ультразвука (УЗ): УЗ-локации, УЗ-дефектоскопии и т. д.
4.4. Помимо УЗ-колебаний, обратный пьезоэффект можно использовать и для получения обычной низкочастотной вибрации. Так, по заявке Великобритании 1307339 пьезоэлементы, соединенные в виде биморфа, обеспечивают возвратно-поступательное движение лезвий электробритвы.
4.5. Казалось бы, возможности пьезоэффекта ограничены и в основном сводятся к взаимопреобразованиям механической и электрической энергий. Действительно, это главная специальность пьезоэффекта. Но ведь на этих преобразованиях держится почти вся современная техника! К ним легко «пристыковываются» другие преобразования, в результате возникают неожиданные и красивые технические решения. Вот, скажем, патент США 3239283: втулка подшипника изготовлена из пьезоматериалов, переменное напряжение вызывает УЗ-колебания, уничтожающие трение покоя.
4.6. С помощью пьезоэффекта возможно создание двигателей принципиально нового типа — пьезоэлектрических. Работа пьезодвигателей основывается на том, что концевая точка пьезоэлемента при возбуждении в нем продольных и поперечных колебаний, сдвинутых друг относительно друга по фазе, совершает движение по эллипсу. Если конец пьезоэлемента привести в соприкосновение с ротором, последний начнет проворачиваться, обеспечивая преобразование колебательной энергии во вращательную.
5. Метаморфозы сигналов
5.1. Скорость звука в твердых телах намного меньше скорости распространения электросигналов. Если преобразовать электрический сигнал в звук, а затем осуществить обратное преобразование, можно получить задержки сигнала во времени. Подобные устройства получили название линий задержки. Они состоят из двух пьезоэлементов, наклеенных на звукопровод, и обеспечивают время задержки, превышающее 100 мкс.
5.2. Обычный пьезоэлемент обладает свойствами небольшой емкости по отношению к электрическим сигналам малых частот. При более высоких частотах начинает проявляться индуктивный характер его проводимости, и на некоторой частоте, называемой частотой электрического резонанса, его сопротивление становится активным, резко падая до нескольких Ом, т. е. вблизи резонанса пьезоэлемент ведет себя как колебательный контур. На этом основан принцип действия пьезофильтров, получивших в настоящее время широкое распространение из-за простоты и надежности.
5.3. Пьезотрансформатор, выполняя ту же функцию, что и обычный трансформатор, более прост — это обычная пьезопластина, разделенная на две секции — входную и выходную. Превращение энергии в механическую, а затем снова в электрическую дает возможность трансформировать напряжение и ток, варьируя геометрические параметры секций и их поляризацию.
6. Разбор типичной задачи
6.1. Тиристорный вентиль для высокого напряжения состоит из нескольких сотен последовательно включенных тиристоров, установленных на общем металлическом радиаторе. В такой цепочке возможны «скрытые аварии» — пробои отдельных элементов. Это не сказывается на работоспособности вентиля, однако с каждым пробитым тиристором повышается опасность пробоя всей цепочки сразу. Многие, вероятно, сталкивались с явлением пробоя конденсаторов. Они нередко даже взрываются. Нечто подобное, только в меньших масштабах, происходит и внутри тиристора при его пробое. Но мы теперь знаем, чем «подслушать» этот микровзрыв,— нужно просто приклеить к радиатору пьезоэлемент, максимум чувствительности которого (чтобы не было ложных срабатываний) приходится как раз на колебания, возбуждаемые при пробое тиристора. Соединив пьезоэлемент со счетчиком импульсов, можно получить информацию о числе пробитых тиристоров, своевременно использовать ее для отключения вентиля.
7. Задачи
7.1. В а. с. № 518219 описано устройство для микроинъекций жидкости, использующее явление магнитострикции. Так сказать, «микрошприц» с магнитострикционным приводом. Что Вы думаете в связи с этим?
7.2. Мы описали много «трюков», на которые способен пьезоэффект. Подумайте, нельзя ли использовать их в приборах в аппаратах, с которыми Вы работаете.
7.3. Как можно использовать явления пьезоэффекта в цирковых номерах?

Таблица возможных применений прямого и обратного пьезоэффекта

 

Разделы

Получение искровых разрядов

2.1

Получение заряженных частиц, ионизация газов, борьба со статическим электричеством

2.2

Измерение механических усилий, давления, ускорения

1.1, 3.4

Индикация трещин в хрупких телах, улавливание различных шумов

3.3, 3.4, 3.5

Преобразование механических колебаний в электрические

3.1, 3.2

Микроперемещения

4.1

Преобразование электрических колебаний в механические, звуковоспроизведение, генерирование УЗ-колебаний

4.2, 4.3, 4.4, 4.5

Компенсация сил трения

4.6

Преобразование электросигналов: задержка во времени, фильтрация, трансформация

5.1, 5.2, 5.3

 


Записаться на тренинг ТРИЗ по развитию творческого, сильного мышления от Мастера ТРИЗ Ю.Саламатова >>>

Новости RSSНовости в формате RSS

Статьи RSSСтатьи в формате RSS

Рейтинг – 494 голосов


Главная » Это интересно » Теория решений изобретательских задач (ТРИЗ) » Е. Н. Козаченко ПЬЕЗОФЕЙЕРВЕРК
© Институт Инновационного Проектирования, 1989-2015, 660018, г. Красноярск,
ул. Д.Бедного, 11-10, e-mail
ysal@triz-guide.com, info@triz-guide.com
 
 

 

Хочешь найти работу? Jooble